融合型智能電力模組在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

鐘永新，陳邦穩(wěn)，姜曉君，劉鵬亮，陸 源，周新顏（.中國(guó)聯(lián)通浙江分公司，浙江 杭州 3005；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 背景

1.1 政策背景

隨著以云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為代表的數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為信息社會(huì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施。2020 年3月，習(xí)近平總書記明確要求加快5G 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)；2021年7月，工信部下發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》；2022年2月，國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、工業(yè)和信息化部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)文同意在國(guó)內(nèi)啟動(dòng)全國(guó)一體化八大國(guó)家算力樞紐節(jié)點(diǎn)、10 個(gè)國(guó)家數(shù)據(jù)中心集群建設(shè)，這標(biāo)志著“東數(shù)西算”工程全面啟動(dòng)［1］。

2020年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量已達(dá)1 507 億kWh，約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)能耗比重的2%，提升變配電系統(tǒng)供電效率、減少供電級(jí)數(shù)、縮短供電鏈路成為通信電源行業(yè)從業(yè)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。2020 年9月，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)于2030 年前二氧化碳排放量達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。為此，人們的思維不能僅僅停留在節(jié)約電能一個(gè)維度上，而是要體現(xiàn)在全方位的綜合資源節(jié)約，如電力、水源、土地、材料和人力等。

1.2 行業(yè)背景

當(dāng)前，數(shù)據(jù)中心的常規(guī)供電系統(tǒng)采用分級(jí)架構(gòu)、分區(qū)設(shè)置和分期建設(shè)，樓內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的變配電室，高低壓柜與交/直流不間斷電源系統(tǒng)分布在不同的機(jī)房，各系統(tǒng)之間獨(dú)立設(shè)計(jì)并由不同的廠家生產(chǎn)［2-3］。一次和二次線纜需要現(xiàn)場(chǎng)連接，輸入輸出配電級(jí)數(shù)多，監(jiān)控系統(tǒng)接口需要直接面對(duì)每一個(gè)元器件，調(diào)試?yán)щy。供電系統(tǒng)使用時(shí)需先期設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)組裝、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，施工周期較長(zhǎng)。

供電系統(tǒng)通常包含若干電力監(jiān)控子系統(tǒng)，智能化程度較低；各子系統(tǒng)分設(shè)在不同的物理空間，無法獲取整個(gè)系統(tǒng)的上下級(jí)鏈路關(guān)系、設(shè)備間的相互影響和實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；無法對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判處理，只有當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)才能感知；且無法實(shí)時(shí)掌握故障發(fā)生的位置，需通過人工逐點(diǎn)排查，易造成業(yè)務(wù)中斷。簡(jiǎn)言之，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)占用空間資源較多，分級(jí)分段建設(shè)導(dǎo)致電源架構(gòu)分散，電源單系統(tǒng)容量小，系統(tǒng)建設(shè)周期長(zhǎng)，施工工藝不可控、智能化管理水平欠缺。

數(shù)字產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使建設(shè)綠色低碳、簡(jiǎn)約高效、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的數(shù)據(jù)中心成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇，因此，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的供電架構(gòu)、監(jiān)控能力和建設(shè)模式等都面臨著變革的內(nèi)生動(dòng)力。

1.3 項(xiàng)目背景

2020年10月，某省聯(lián)通收到某大型互聯(lián)網(wǎng)客戶的“PTG 芯片”測(cè)試機(jī)房的業(yè)務(wù)需求，擬將該省某機(jī)房作為研發(fā)新一代芯片的測(cè)試機(jī)房。

芯片測(cè)試是芯片生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，是其生產(chǎn)工藝流程中必不可少的成品篩選環(huán)節(jié)，對(duì)于打破西方對(duì)中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的封鎖，打造擁有高端芯片設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)權(quán)自主可控的產(chǎn)業(yè)鏈具有重要的創(chuàng)新意義，同時(shí)該數(shù)據(jù)中心將會(huì)逐漸融入芯片生產(chǎn)鏈條中，后續(xù)可在新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的布局中做出更多實(shí)踐性的貢獻(xiàn)。

2 融合型智能電力模組應(yīng)用

2.1 模組概念

某基地是目前國(guó)內(nèi)最大的采用冷熱電三聯(lián)供供能并按國(guó)A標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的高規(guī)格數(shù)據(jù)中心。但是由于芯片測(cè)試要求的特殊性，在空間、供電和制冷方面，存在大量的現(xiàn)實(shí)難題，需要逐一研討、逐一模擬、逐一驗(yàn)證方案是否能滿足芯片測(cè)試過程中的操作流程及供電供冷要求。

一方面，“PTG芯片”測(cè)試機(jī)房在供電、制冷以及工藝布局等方面存在大量創(chuàng)新性需求，比如50 kW 超高功耗機(jī)柜、芯片級(jí)的液冷要求、測(cè)試設(shè)備布局和機(jī)房承重要求等，都不同于傳統(tǒng)IDC 服務(wù)器的需求。另一方面，截至2020 年10月，該基地僅剩下DC2#樓一層2×2 500 kVA 的電力容量，一層2 處發(fā)展機(jī)房（空間可容納145 架6～12 kW 機(jī)柜）和1 處動(dòng)力室預(yù)留空間，無UPS電源設(shè)備的安裝空間。由于現(xiàn)場(chǎng)空間的剛性限制和客戶的特定要求，按傳統(tǒng)供電方案需要對(duì)已建成交付的2 樓IDC 機(jī)房進(jìn)行拆除改造，騰出空間安裝4 套（1+1）600 kVA 的UPS 電源系統(tǒng)，將造成大量的投資損失和IDC業(yè)務(wù)損失。

因此，芯片測(cè)試機(jī)房的建設(shè)必須要引入創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐。由某省聯(lián)通牽頭對(duì)該案例的電源架構(gòu)、供電鏈路進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引入了一種全新的資源節(jié)約的融合型智能電力模組（Hybrid iPower Module）解決方案，即一種10 kV 中壓輸入兼有UPS 電源輸出和非UPS 電源輸出的電力模組。電力模組為2N 的供電架構(gòu)，一體化設(shè)計(jì)，滿足芯片測(cè)試機(jī)房服務(wù)器機(jī)柜的電力保障，圖1為本案例的電力模組供電架構(gòu)系統(tǒng)圖。

圖1 電力模組供電架構(gòu)系統(tǒng)圖

2.2 模組架構(gòu)

融合型智能電力模組由10 kV 變電模塊（環(huán)網(wǎng)柜或中置柜，一級(jí)能效非晶合金變壓器），低壓模塊（變壓器進(jìn)線柜、低壓聯(lián)絡(luò)柜——2N 系統(tǒng)間低壓母聯(lián)、可選配低壓油機(jī)接入模塊、功率補(bǔ)償（SVG+APF）、低壓配電輸出柜兼UPS 輸入和旁路開關(guān)），UPS 模塊（UPS、電池組、UPS 饋電輸出柜）組成，從變壓器出線柜逐級(jí)到UPS 輸出柜，全部柜體并排安裝，柜體之間全部采用銅排母線連接，銅排母線與配電柜體整合設(shè)計(jì)制造。圖2為融合型智能電力模組架構(gòu)圖。

圖2 融合型智能電力模組架構(gòu)圖

融合型智能電力模組在配電的系統(tǒng)架構(gòu)、分級(jí)分段、配電模式、電氣連接、智能監(jiān)控等方面進(jìn)行了創(chuàng)新突破，比采用常規(guī)供電系統(tǒng)的變配電系統(tǒng)、電源系統(tǒng)的安裝空間壓縮了近45%，即在原預(yù)留的配電室空間內(nèi)同時(shí)解決了UPS 電源系統(tǒng)的安裝空間，完美地解決了特定業(yè)務(wù)需求空間不足的問題。同時(shí)，該模組實(shí)現(xiàn)了工程項(xiàng)目的產(chǎn)品化，將模塊化和預(yù)制化的理念引入產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)工廠預(yù)制生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)模塊拼裝，無需二次調(diào)試及布線，滿足了機(jī)電工程的快速部署要求，將施工工期壓縮50%。

2021 年4月，4 套1 250 kVA 的智能電力模組（兩兩組成2N 架構(gòu)）順利調(diào)試開通，為客戶“PTG 芯片”測(cè)試機(jī)房的帕拉丁機(jī)柜和澤布機(jī)柜提供了近2×1 000 kVA 的交流不間斷電源，同時(shí)給機(jī)房空調(diào)末端等提供了2×250 kVA 的非UPS 電源，實(shí)現(xiàn)了“PTG 芯片”測(cè)試機(jī)房項(xiàng)目的順利交付。

2.3 模組算法

融合型智能電力模組以模塊化系統(tǒng)為骨架，以大數(shù)據(jù)算法為核心。系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一智能化管控，配置具備數(shù)據(jù)分析功能的管控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)中各分支回路和UPS 的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，能夠隨時(shí)查詢并自動(dòng)進(jìn)行安全預(yù)判，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控和管理功能。

2.3.1 系統(tǒng)電力參數(shù)驗(yàn)證

配電斷路器上下級(jí)的匹配對(duì)于系統(tǒng)的供電可靠性、故障部件的快速切除，縮短故障時(shí)間和縮小故障范圍具有重要意義。系統(tǒng)預(yù)置斷路器脫扣曲線數(shù)據(jù)和內(nèi)置算法工具，在供配電系統(tǒng)運(yùn)行的初期階段對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行有效驗(yàn)證，分析鏈路上下級(jí)間的選擇性脫扣設(shè)置的合理性，為用戶做系統(tǒng)選擇性判斷提供參考依據(jù)；在系統(tǒng)運(yùn)行期間如需要調(diào)整斷路器的參數(shù)，系統(tǒng)能夠驗(yàn)證參數(shù)調(diào)整是否合理，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。圖3為UPS手動(dòng)旁路運(yùn)行電力參數(shù)配置曲線圖。

圖3 UPS手動(dòng)旁路運(yùn)行電力參數(shù)配置曲線

2.3.2 安全預(yù)測(cè)

通過關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、預(yù)測(cè)和偏差分析等規(guī)則獲取系統(tǒng)運(yùn)行安全的預(yù)測(cè)分析。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘由Rakesh Apwal等人首先提出，研究2個(gè)或2個(gè)以上變量的取值之間存在的規(guī)律性。一般用支持度和可信度2個(gè)閾值來度量關(guān)聯(lián)規(guī)則的相關(guān)性，引入興趣度、相關(guān)性等參數(shù)，使得所挖掘的規(guī)則更符合需求。其中，Apriori算法利用逐層搜索的迭代方法找出數(shù)據(jù)庫(kù)中項(xiàng)集的關(guān)系并形成規(guī)則，其過程由連接（類矩陣運(yùn)算）與剪枝（去掉那些沒必要的中間結(jié)果）組成，圖4 為Apriori數(shù)據(jù)分析算法流程圖。

圖4 Apriori數(shù)據(jù)分析算法流程圖

電力模組的安全運(yùn)行可以由電力參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、溫度參數(shù)和設(shè)備動(dòng)作情況等多維變量反映。通過在關(guān)鍵連接處設(shè)置多個(gè)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)偵測(cè)銅排和連接處溫度變化數(shù)據(jù)；通過電源故障錄波，實(shí)現(xiàn)全鏈路各節(jié)點(diǎn)電壓電流波形實(shí)時(shí)抓?。煌ㄟ^設(shè)備狀態(tài)節(jié)點(diǎn)獲取設(shè)備動(dòng)作信號(hào)等等。

在實(shí)際的供電系統(tǒng)運(yùn)行中，一種現(xiàn)象常常是與多個(gè)因素相聯(lián)系的，由多個(gè)自變量的最優(yōu)組合共同來預(yù)測(cè)或估計(jì)因變量，比只用一個(gè)自變量進(jìn)行預(yù)測(cè)或估計(jì)更有效，更符合實(shí)際。因而在電力模組的故障預(yù)測(cè)及運(yùn)行分析中，引入多元線性回歸分析的算法。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，所選各自變量之間無內(nèi)生性，且上述自變量均會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)產(chǎn)生較大影響，故將這些自變量納入模型進(jìn)行分析。

定義Y為因變量（壽命，故障率和預(yù)警等），X為自變量（溫度、電壓、電流和設(shè)備信息等），其使用條件為：第一，Y與X1，X2，…，Xm之間具有線性關(guān)系；第二，各例觀測(cè)值Yi相互獨(dú)立；第三，殘差e服從均數(shù)為0、方差為σ2的正態(tài)分布。

多元線性回歸模型的一般形式如式（1）所示。

其參數(shù)估計(jì)可以由最小二乘法得到，即根據(jù)n例樣本數(shù)據(jù)，使殘差平方和達(dá)到最小，可表達(dá)為式（2），從而求解得到b0,b1,…,bm。

在具體求解過程中，需要求出包括因變量在內(nèi)的各變量離差矩陣，即：

最終根據(jù)b0,b1,…,bm和即可求得常數(shù)項(xiàng)b0，b0=。

通過Apriori 算法和多元線性回歸方程分析系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中的各種風(fēng)險(xiǎn)，提升系統(tǒng)可靠性。生成定制化運(yùn)維報(bào)表，支持報(bào)表傳輸及故障分析，提供分支路的能耗記錄和系統(tǒng)安全運(yùn)行分析報(bào)告等，節(jié)省運(yùn)營(yíng)維護(hù)人力物力。

2.4 創(chuàng)新特點(diǎn)

a）安全可靠。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電力模組保留了10 kV變壓器的進(jìn)線柜、低壓聯(lián)絡(luò)柜、補(bǔ)償柜等功能，使數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)柜的2N 供電架構(gòu)得以保留，無單點(diǎn)故障，滿足國(guó)標(biāo)A級(jí)供電標(biāo)準(zhǔn)。

b）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約。低壓配電柜出線斷路器保護(hù)開關(guān)與UPS 系統(tǒng)的輸入保護(hù)開關(guān)共用，簡(jiǎn)化了低壓輸出保護(hù)與UPS 輸入開關(guān)之間的重復(fù)設(shè)置，使配電系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔又不失分級(jí)保護(hù)的安全規(guī)范要求。

c）母線連接。柜體之間貫穿的銅排母線連接（不建議簡(jiǎn)單地對(duì)原低壓柜型做頂部出線再銅排連接）取代原有不同電力系統(tǒng)間的電力電纜連接，在柜體高度保持不變的情況下，縮短了配電級(jí)間的電纜長(zhǎng)度，節(jié)省了大量的銅材料，減少現(xiàn)場(chǎng)電力電纜的布放工作量。

d）解除限制。柜內(nèi)銅排總母線的電力饋電方式打破了傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)進(jìn)線柜和出線柜（保護(hù)開關(guān)）之間從前往后的順序排列限制，使電力模組結(jié)構(gòu)更加統(tǒng)一緊湊。

e）分類輸出。數(shù)據(jù)中心通常存在無需不間斷電源供電的負(fù)載即非UPS 保障的供電需求，本案例采用1 250 kVA 電力模組的10 kV/380 V 變壓器的低壓出線柜，即UPS 進(jìn)線前端直接出線輸出100 kVA 的低壓供電，實(shí)現(xiàn)1套系統(tǒng)2種不同保障等級(jí)的電源輸出。

f）集中管控。按照傳統(tǒng)供電模式，中壓配電、低壓變配電、UPS電源、電池組的系統(tǒng)監(jiān)控分別由不同廠家完成，各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立、監(jiān)控的深度不一、界面各異。本案例的電力模組將從10 kV 到電源輸出端的監(jiān)控集中管理，接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)間監(jiān)控的智慧管理。融合一體的結(jié)構(gòu)、集中統(tǒng)一的監(jiān)控和智能化的管理平臺(tái)，可提供動(dòng)態(tài)可視化的系統(tǒng)鏈路圖，具有故障定位和分析功能，可實(shí)現(xiàn)故障的快速修護(hù)，縮短業(yè)務(wù)中斷時(shí)間。

g）工廠預(yù)制。配電柜和柜內(nèi)銅排采用工廠預(yù)制生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)了高可靠連接，確保工藝統(tǒng)一，銅排采用裸露連接，易于散熱和監(jiān)測(cè)。在出廠之前將設(shè)備二次線預(yù)制好，現(xiàn)場(chǎng)只需插接就能快速完成監(jiān)控的智能化部署。

h）PUE 測(cè)量。電力模組滿足《中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心能耗測(cè)量點(diǎn)要求》和《中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心能耗測(cè)量方法》規(guī)定，一套電力模組即可實(shí)現(xiàn)全樓的能耗監(jiān)控和PUE 測(cè)量，后期無需進(jìn)行二次線纜施工及二次系統(tǒng)調(diào)試。

2.5 創(chuàng)新成效

a）降低工程造價(jià)。本案例將電力模組的低壓配電輸出和UPS 輸入柜融合，節(jié)省了16個(gè)框架斷路器開關(guān)和8個(gè)配電柜，綜合節(jié)約空間約45%，取消了配電室和UPS 室之間的電纜連接，節(jié)省270 mm2電力電纜約320 m，實(shí)際項(xiàng)目供電系統(tǒng)綜合投資節(jié)約120 多萬元（15%以上）。

b）提高系統(tǒng)效率。為提高系統(tǒng)的能效，本案例采用一級(jí)能效的非晶合金變壓器、高頻UPS 電源和緊湊連接的銅排母線，來降低設(shè)備損耗和線路損耗。高頻UPS 在其常態(tài)運(yùn)行約40%負(fù)荷的工況下，效率通常在94%左右。為進(jìn)一步提高電源效率，本案例開通了UPS 電源ECO 運(yùn)行模式。為避免UPS 電源在ECO 模式和在線模式之間切換可能給負(fù)載帶來的供電突變，項(xiàng)目交付初期暫按一側(cè)在線，一側(cè)ECO 模式運(yùn)行（后期擬調(diào)整為全ECO 模式），由此供電系統(tǒng)的效率將提升3%～6%，4 套1 250 kVA 的電力模組每年可節(jié)約電費(fèi)35～70萬元。

c）減少拆除改造。芯片測(cè)試機(jī)房項(xiàng)目在電力模組創(chuàng)新運(yùn)用方面取得的成功，避免了二樓某個(gè)已建成IDC 機(jī)房的拆除改造，減少投資損失約400 萬元。機(jī)房空間節(jié)約為公司帶來了約60 個(gè)8 kW IDC 機(jī)柜的產(chǎn)出，每年可為公司IDC業(yè)務(wù)增收480多萬元。圖5為融合型智能電力模組實(shí)景圖。

圖5 融合型智能電力模組實(shí)景圖

2.6 注意事項(xiàng)

融合型智能電力模組作為一種全新的供電架構(gòu)及供電理念，在具備明顯優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也對(duì)傳統(tǒng)的建設(shè)及運(yùn)維方式提出了新的挑戰(zhàn)，還需要不斷總結(jié)和改進(jìn)，使整個(gè)供電系統(tǒng)更加完善。

a）變配電系統(tǒng)的生命周期一般在20 年左右，UPS電源的生命周期一般在10 年左右。由此要求在模組設(shè)計(jì)上具備UPS電源的可替換性（硬件可解耦）。

b）系統(tǒng)容量的選擇。目前，UPS 并機(jī)系統(tǒng)的容量通常在600～2 400 kVA，本項(xiàng)目選擇2 套600 kVA 的UPS 組成并機(jī)作為模組Module 資源池的容量。這樣一是避免采用4 套600 kVA UPS 系統(tǒng)組成過大的資源池，同時(shí)也是為了使模組總長(zhǎng)度滿足機(jī)房的安裝空間要求。

c）電力模組10 kV 中壓的接入、配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信電源的融合，使傳統(tǒng)的通信電源維護(hù)規(guī)程已不能適應(yīng)新的系統(tǒng)維護(hù)要求，需制定新的操作維護(hù)規(guī)程［4-5］。

3 分析總結(jié)

融合型智能電力模組（Hybrid iPower Module）繼承了傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的安全規(guī)范要求，同時(shí)對(duì)配電的系統(tǒng)架構(gòu)、電氣鏈接、系統(tǒng)監(jiān)控等方面進(jìn)行了多方位的創(chuàng)新，使傳統(tǒng)分級(jí)分段分廠家建設(shè)的供電系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)融合統(tǒng)一設(shè)計(jì)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了融合簡(jiǎn)約、綠色低碳、智能管理的效果，提升了系統(tǒng)的整體性能，達(dá)到節(jié)約空間資源、節(jié)約材料、節(jié)約能耗的目的，同時(shí)從輸入到輸出的全段落、全過程的連續(xù)監(jiān)控可以使系統(tǒng)監(jiān)控更加智能化。該創(chuàng)新成果在通信局房和數(shù)據(jù)中心具有極大的推廣價(jià)值。